海底滑坡与水合物

天然气水合物

摘要:海底滑坡是具有巨大危害作用的海洋地质灾害之一,近来发现其与海底天然气水合物的分解有重大的关系。详细分析了天然气水合物的形成和分解对海底沉积物的影响;提出了4种自然因素引起水合物分解,导致海底滑坡的观点;列举了国内外滑坡研究的具体事例;从另外一方面讲,海底滑坡对寻找天然气水合物又具有重要的指示作用。

0 背景介绍

       海底滑坡是具有巨大危害的海洋地质灾害之一。大规模发生的海底滑坡不但会对深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施造成破坏,而且还能导致海啸,极大地危害着人类生命财产的安全。一般来说,海底滑坡的产生通常是由地震、火山喷发、风暴及沉积物快速堆积等事件或因坡体过度倾斜所引发的;但近来的所有研究表明,海底天然气水合物的分解使得斜坡稳定性的降低也是海底滑坡产生的一个重要原因。

       天然气水合物赋存于低温高压环境下的沉积物孔隙中,当温度升高或者压力减小,天然气水合物就分解为气、水混合物,释放出气体在地层中形成超压,从而使得沉积物固结程度大大降低。位于海底斜坡带的沉积物,此时一旦发生地震或者载荷增大,甚至单纯沉积物自身的重量,都可能引起滑塌或海底滑坡。由于水合物稳定带底部比海底斜坡底部倾斜角度更大,所以滑坡通常沿水合物稳定带底部发生,因此,斜坡带的海底滑坡具有以下几个特点:

①可发生于小于或等于5度的海底斜坡上;

②滑坡体的顶部深度接近于天然气水合物分布带的顶部深度;

③在滑坡体下面的沉积层中几乎没有天然气水合物。

1 天然气水合物的形成对海底沉积物的影响

       在早期的海底的沉积物孔隙中,存在着自由运移的多成因的甲烷和水。在合适的温压条件下,甲烷和水逐渐结合为天然气水合物。随着天然气水合物的形成,孔隙空间减小,流体运移速度变慢。虽然在某种程度上天然气水合物可以作为沉积物固结的“黏结剂”,但他同时取代液态水占据了孔隙空间,从而使沉积物的固结过程受到阻碍;另外,离子在天然气水合物中不能像在孔隙水中那样自由活动,因此,离子的扩散和以后的沉淀作用也不能发生,从而不能达到胶结沉积物的效果。当该处有充足的气体来源,天然气水合物将逐渐占据其稳定带沉积物内的大部分空间,并且在平面上有很大面积的展布时,将在海底形成巨大的圈闭,游离气体在其底下聚集,形成一个气体层。

2天然气水合物分解对沉积物的影响

       天然气水合物稳定带是在T<0～10℃、水深h>3 000 m,即静水压力P>10 MPa条件下形成的,因此,压力的下降和温度的上升将导致其重新分解为水和气体。天然气稳定带本身是个相对的概念,实际上它是天然气水合物生成和分解的一个动态的平衡过程。任何对温压条件产生影响的地质活动都会引起天然气水合物的分解。从原来的准胶结稳定的沉积物中释放出气体和水,沉积物孔隙胶结逐渐疏松,为沉积物的大规模移动创造了条件。经过一定时间的积累,气体和水起到足够的润滑作用或者底部气体的压力大于顶部静水压力,都能使海底滑坡成为可能。认为共有4种自然因素导致天然气水合物分解,并由此引发海底滑坡:

(1)地震、火山等地质活动

       地震和火山喷发本身可以诱发海底滑坡。同时他们引发的地层的断裂为游离气体运移提供了通道,导致顶底压力平衡被破坏,造成天然气水合物的分解。

(2)全球气候变化

       全球气候的变暖使得海洋表层水的温度升高,由于海水的连续性,最终必然影响到与天然气水合物接触的地层水。天然气水合物对温度的敏感度相当高,底层水温的升高必然导致天然气水合物的大规模分解,为海底滑坡创造了有利的条件。

(3)海平面的下降

       海平面的下降,静水压力的减小,天然气水合物分解使得天然气水合物稳定带的厚度变薄。据资料显示,海平面下降100 m将导致大陆架表面天然气水合物稳定带在水平面的宽度至少减少100 m。当海平面下降时,不仅天然气水合物稳定带表面发生分解,底层天然气水合物也将不稳定,分解使得稳定带盖层以下富含水和气,当压力达到一定程度时,有可能掀翻天然气水合物稳定带的薄弱处。海平面在地质年代中不断变化使得天然气水合物稳定带发生调整,导致海底滑坡多次出现,可能在斜坡下部形成较厚的多次叠加的沉积物滑坡体。

       美国阿拉斯加北部波弗特海大陆斜坡、美国东海岸、地中海中西部沙丁岛与科西嘉岛西南侧海底、巴西东北部大陆边缘的亚马逊扇、挪威大陆边缘的大型海底滑坡、日本海奥尻岛附近海域,以及南卡罗来纳大陆隆上Cape Fear等地区的滑坡和滑塌是在晚更新世海退期间(约220～170 ka),海平面下降了100～120 m,结果造成海底总承受压力减少了约1 000 kPa,使得天然气水合物分解,释放出大量甲烷和水。另外,阿拉斯加北部波弗特海大陆斜坡也是一个由天然气水合物分解形成的大型海底滑坡或滑塌带,因为从地震反射剖面上推测出的含天然气水合物的沉积范围几乎与滑坡区范围相当。

(4)大陆斜坡的连续沉积和沉积物的深部埋藏

       大陆斜坡的连续沉积造成已形成的天然气水合物埋藏的不断加深,当埋藏达到一定深度,由于地温梯度的原因,天然气水合物发生分解,同样也可以达到同样的不稳定条件。

       当然,天然气水合物的分解不是海底滑坡的必然因素,因为除火山喷发和地震具有瞬时破坏性以外,其他3种地质过程都比较缓慢,异常压力可以通过渗透带、断裂间歇的小规模释气来消散。位于抬升脊上的IODP 311航次U1326站位,旁边存在高250 m的滑塌体,侵入抬升脊约2.5 km。此处还存在许多通天的近东西向的断裂,出露海底的断层断距有25m,向下可追踪到BSR之下。通常,这些断层局限于滑塌区,滑塌体之下无BSR。

       但海底长期处于这种条件会形成巨厚的天然气水合物盖层和大量的游离气体,一旦时机成熟,发生滑坡的规模将会非常巨大。最明显的例子是挪威外陆架,地震资料显示该区域有明显的似海底反射层(BSR),同时存在世界上最大的Storrega海底滑坡,滑坡范围从挪威西海岸一直延伸至冰岛南部。有人认为,Storrega的第2次滑坡(距今约6～8 ka,造成了1700 km 3的沉积物滑塌)是由天然气水合物分解所触发的。

       目前世界上已识别出的与天然气水合物分解有关的海底滑坡主要有大西洋大陆斜坡上的开普菲尔,南美亚马逊冲积扇,加拿大西北岸波弗特海,西地中海的Balearic巨型浊流层和西非大陆架、哥伦比亚大陆架、美国太平洋沿岸以及日本海南部的海底滑坡体。

3 海底滑坡可以作为寻找天然气水合物重要线索

       位于南卡罗来纳大陆隆上的Cape Fear滑坡,滑坡面和滑塌沉积物向坡下延伸达400多千米,高20 m,发生在末次冰期海平面低水位期,约18 ka(14C测定结果)。滑坡区的西侧处于卡罗来纳大陆隆—布莱克海台水合物分布区内。前人认为,它与海底盐隆和天然气水合物的分解有关。而Paull等则进一步指出,在如此大面积的地方造成多期滑塌单靠地震是不可能的,而用冰期的海平面低水位使天然气水合物分解并造成大陆边缘多次滑坡的观点来解释应该更为合理。由此可见,发生在晚更新世末次冰期的海底滑坡是寻找天然气水合物的一个重要线索。在对西沙海槽区进行天然气水合物资源调查时发现了多个规模较大的海底滑坡,结合其他条件分析认为,这些滑塌体可能与天然气水合物的分解有关。